Пористый кремний (porous silicon)

Методы получения

Ансамбли кремниевых наноструктур, состоящие из квантовых шнуров и квантовых точек, образуются в пористом кремнии, который получают локальным анодным электрохимическим растворением (electrochemical etching) монокристаллического или поликристаллического кремния в электролитах на основе

плавиковой кислоты (HF). Простейшая ячейка для проведения электрохимической обработки состоит из химически инертной ванны, наполненной обычно 50 %

раствором HF, в который помещают кремниевую пластину и платиновый электрод.

Пористый кремний (porous silicon)

Методы получения

При электрохимическом процессе на пластину кремния подают положительный (анодный) относительно платинового электрода потенциал. Плотность анодного тока выбирают, чтобы получить требуемую пористость, толщину пористого слоя и воспроизводимость результатов. Под пористостью обычно понимают объемную долю материала, занятую пустотами – порами. Если кремниевая пластина с двух сторон имеет контакт с электролитом, то пористый слой образуется на обеих поверхностях и кромке пластины. При этом имеет место неравномерное распределение плотности тока по поверхности пластины. Ее более глубоко погруженная часть находится под меньшим потенциалом, чем верхняя из-за резистивного падения напряжения в объеме самой пластины. В результате происходит понижение плотности анодного тока от верхней части пластины к нижней, что приводит к соответствующей неравномерности свойств пористого слоя.

Пористый кремний (porous silicon)

Методы получения

Формирование пористого слоя с лучшей однородностью и только с одной стороны достигается при плоском электрическом контакте по всей поверхности кремниевой пластины с тыльной стороны. С электролитом соприкасается только одна сторона кремниевой пластины. Для низкоомного кремния (сопротивление ниже нескольких мОм см) достаточно хорошая однородность пористого слоя

по анодируемой поверхности обеспечивается без специальной подготовки токоподводящей поверхности пластины. Для высокоомного кремния на токоподводящую поверхность осаждают пленку металла или легируют ее с целью улучшения электрического контакта и обеспечения равномерного протекания тока. Принудительное перемешивание электролита с продуктами реакции на аноде, удаляющее с поверхности пузырьки газообразных продуктов реакции, также улучшает однородность формируемого пористого слоя.

Пористый кремний (porous silicon)

Методы получения

Химические превращения, ответственные за локальное электрохимическое растворение кремния в электролитах

на основе HF, предполагают участие в них

дырочно(h+) электронного(e–) обмена, протекающего по следующей схеме

Si + 2HF + lh+ SiF2 + 2H+ + (2 – l)e– SiF2 + 2HF SiF4 + H2

SiF4 + 2HF SiH2F6

где l – количество элементарных зарядов, участвующих в обмене на каждой ступени.

Пористый кремний (porous silicon)

Методы получения

Растворение кремния требует наличия в зоне реакции молекул HF (со стороны электролита) и дырок (в кремнии). Для создания достаточного количества электронов и дырок в кремнии его поверхность в процессе анодирования облучают светом. Газообразный водород и растворимое соединение SiH2F6 являются

основными продуктами реакции. При анодировании в чистых водных растворах HF пузырьки водорода прилипают к поверхности кремния, что приводит к неоднородности пористого слоя по глубине в различных местах поверхности пластины. Эффективному удалению пузырьков способствует введению ПАВ (этанол, уксусная кислота) в электролит.

Пористый кремний (porous silicon)

Методы получения

Свойства пористого слоя, такие, как пористость, толщина, размер и структура пор, зависят от собственных свойств кремния и условий анодирования. Наиболее значимыми факторами являются: тип проводимости, удельное сопротивление и кристаллографическая ориентация

кремния, также как и концентрация HF в электролите, pH электролита и наличие в нем других соединений, температура, плотность анодного тока, освещенность анодируемой поверхности, перемешивание электролита и продолжительность анодной обработки. Оптимальное управление процессом формирования пористого слоя и воспроизводимость характеристик от процесса к процессу требуют тщательного контроля за этими факторами.

Пористый кремний (porous silicon)

Методы получения

Пористость и толщину пористого слоя обычно определяют взвешиванием образца перед анодной обработкой (масса

M1), после анодной обработки (масса M2) и после удаления пористого слоя травлением в 3 % KOH (масса M3). Тогда пористость

P = (M1 – M2)/(M1 – M3), а толщина

d = (M1 – M3)/ S,

где – объемная плотность монокристаллического

кремния, S – площадь протравленной поверхности.

Пористый кремний (porous silicon)

Методы получения

Цилиндроподобная структура формируется на низколегированном монокристаллическом кремнии с n- и p- типом проводимости анодным травлением в темноте (без освещения) и характеризуется малой степенью ветвления, соответствующей пористости менее 10 %. Древовидная структура, состоящая из длинных отверстий диаметром примерно 10 нм, располагающихся перпендикулярно поверхности, формируется на сильнолегированном кремнии (удельное сопротивление менее 0,05 Ом см)

независимо от типа проводимости с пористостью вплоть до 60 %. Для слаболегированного кремния ситуация несколько отличается. Пористый слой, сформированный на слаболегированных подложках с p- и n-типом проводимости при освещении, предположительно состоит из хаотически расположенных очень маленьких отверстий размером примерно 2 4 нм. Достижимая пористость в этом

случае выше.